Was kostet eine Laseranlage zur mIkrobearbeitung?

Ein Überblick über die Kostenfaktoren von Laseranlagen und wie sich der Maschinenpreis zusammensetzt

Dr. Marius Gipperich | 09. Februar 2023 ᛫ 15 Min.


Investitionen in Lasertechnologie

Investitionen in neue Technologien stellen Unternehmen oft vor herausfordernde Fragen, besonders wenn es um fortschrittliche Ausrüstungen wie Laseranlagen zur Mikrobearbeitung geht. Der Schlüssel zum Erfolg liegt nicht nur in der Kenntnis der technischen Vorteile, sondern auch im Verständnis der damit verbundenen finanziellen Aspekte. Bevor Unternehmen in neue Technologien und Anlagentechnik investieren, gilt es, eine Vielzahl unterschiedlichster Fragen zu beantworten: Was sind die Vorteile der neuen Technologie oder Anlage? Erhöht sich durch den Einsatz die Produktivität oder die Qualität der Bauteile? Können dadurch neue Märkte bedient werden?

Mit ausschlaggebend sind aber selbstverständlich auch die Kosten einer solchen Investition. Während in der Industrie die ungefähren Kosten konventioneller Bearbeitungssysteme wie beispielsweise Fräsmaschinen oftmals bekannt sind, ist der Wissensstand zu Anlagen für die Lasermikrobearbeitung weniger ausgeprägt. Das führt häufig dazu, dass Kunden bei einer Preisanfrage „negativ“ überrascht werden, wenn Sie sich zum ersten Mal mit den Kosten von Lasertechnologie beschäftigen.

Dieser Artikel bietet Ihnen einen detaillierten Einblick in die Kostenstruktur von Laseranlagen und beleuchtet die verschiedenen Faktoren, die diese Kosten beeinflussen.

Kostentransparenz im Laser-Anlagenbau – ein „No Go“?

Im Gegensatz zu anderen Branchen ist Preistransparenz im Maschinenbau alles andere als verbreitet. Die meisten Unternehmen machen ein großes Geheimnis aus den Kosten ihrer Anlagen, bis ein Kunde offiziell um ein Angebot bittet. Gerade im Sondermaschinenbau ist dies natürlich nachvollziehbar, denn hier lassen sich Preise oftmals nicht allgemein beziffern.

Trotzdem kann in den meisten Fällen im Vorfeld eine grobe preisliche Orientierung gegeben werden, wenn die grundsätzlich benötigten Maschinenbestandteile als Kostentreiber bekannt sind. Hier sei auch erwähnt, dass die Kosten für vergleichbare Anlagen von verschiedenen Anlagenherstellern sicherlich nicht in völlig verschiedenen Größenordnungen liegen – zumindest, solange der Wettbewerb in Deutschland oder Europa betrachtet wird. Und spätestens, wenn der Kunde zwei Angebote von unterschiedlichen Herstellern vorliegen hat, kennt er die Unterschiede sowieso.

Wie setzen sich die Kosten einer Laseranlage zusammen?

Wie in fast allen Lebensbereichen gilt auch für die Kosten von Laseranlagen das Motto „von…bis…“.

Einfache Lasermarkiermaschinen mit einem Nanosekunden-Laser (Leistung < 30 W, Wellenlänge im Infrarot-Bereich) sind schon für weniger als 100.000 € erhältlich. Enthalten sind zum Beispiel ein Laserscanner, eine Z- sowie eine Drehachse und ein Gehäuse mit Laserschutzklasse 1.

Anders sieht es im Bereich der hochpräzisen Lasermikrobearbeitung mit Ultrakurzpuls (UKP)-Laserstrahlquellen aus. Mit UKP-Anlagen können Werkstücke mikrometergenau und nahezu ohne thermischen Einfluss bearbeitet werden. Neben einer hochpreisigen Femtosekunden-Laserstrahlquelle sind unter anderem ein Präzisions-Achssystem und ein 3D-Scanner erforderlich. Hinzu kommen ein Maschinengehäuse mit Laserschutzklasse 1 und Röntgenschutz sowie Nebenaggregate. Schon eine kompakte, aber vollwertige UKP-Lasermaschinen wie die RDX500 von Pulsar kostet in ihrer Basisausführung etwa 475.000 €.

Für eine höhere Performance und Flexibilität in der Produktion gibt es UKP-Anlagen mit einer erweiterten Ausstattung. Zum Beispiel sind statt einer zwei Arbeitsstationen pro Anlage möglich, die von einer oder mehreren Hochleistungs-UKP-Laserquellen versorgt werden. In solchen Anlagen erfolgt darüber hinaus häufig eine Integration von Messtechnik zur Prozess- oder Produktüberwachung und von Lösungen für eine automatische Be- und Entladung. Eine dafür geeignete Pulsar-Maschine ist die RDX800 mit einem Startpreis von ca. 750.000 €.

Wird eine wirklich vollautomatische UKP-Produktionslösung benötigt, handelt es sich in der Regel um Sondermaschinen. Diese besitzen beispielsweise ein bauteilangepasstes Handlingsystem und Messsysteme für eine 100 %-Prüfung der bearbeiteten Bauteile. Ein solches System erfordert zudem eine auf den Kunden und seinen Prozess individuell zugeschnittene Software-Sonderlösung. Pulsar bietet für solche Anwendungsfälle die vollautomatische Lasermaschine P1000 an, die oberhalb von 1.000.000 € konfiguriert werden kann.

Wie kann ein besseres Verständnis für diese Preise geschaffen werden? Der folgende Abschnitt soll helfen, Interessierten ein Gefühl für die Kosten zu vermitteln und zu erklären, was die Hauptkostentreiber unter den einzelnen Baugruppen einer Lasermaschine sind.

Zunächst werden die wichtigsten Komponentengruppen einer Lasermaschine bzw. die Aufwände bei der Realisierung des Anlagenprojektes aufgelistet:

  • Maschinentechnik
  • Lasertechnik
  • Messtechnik
  • Engineering und weitere Leistungen
  • Nebenaggregate und Automationslösungen

Nun erfolgt für die einzelnen Punkte eine grobe Abschätzung und Bewertung. Dabei werden eine Kostenabschätzung für die Kategorien und die Einkaufspreise einiger Komponenten angegeben.

RDX800, Ultrakurzpulslaser, Lasertechnik, UKP, Lasertechnology, Award, Best of Industry Award, Maschinenmarkt, Trenntechnik

Maschinentechnik

Diese Kategorie beinhaltet mit den Basiskomponenten der Maschine all die Bestandteile, ohne die ein Betrieb – unabhängig von der eigentlichen Bearbeitungsaufgabe – gar nicht möglich wäre.

  1. Maschinengehäuse, inklusive tragendem Maschinengestell und Maschinenbett aus Granit für hohe Präzision und Stabilität
  2. Elektrotechnische Ausstattung, u.a. mit Schaltschrank und Not-Aus-System
  3. XY-Kreuztische oder Portalsysteme für die Werkstückbewegung und -positionierung: Kleinformatige Kreuztische für Positionieraufgaben im einstelligen Mikrometerbereich sind bereits für ca. 30.000 € verfügbar. In großformatigen Sondermaschinen kosten entsprechende Lösungen aber bereits mehrere Hunderttausend €.

Kostenpunkt für Maschinentechnik: ca. 100.000 €

Lasertechnik

Die Lasertechnik ist in gewisser Weise das Herz einer Laserbearbeitungsmaschine. Entsprechend machen die zugehörigen Komponenten auch einen großen Anteil des Maschinenpreises aus.

  1. Laserstrahlquelle:
    Die Wahl der Laserstrahlquelle ist allesentscheidend für die umsetzbaren Fertigungsprozesse. Die Auswahl des richtigen Lasers für abtragende Prozesse ist in der Regel ein Trade-off zwischen erforderlicher Genauigkeit (pulsdauerabhängig, spricht für UKP-Laser) und Produktivität (leistungsabhängig, spricht eher für Laser mit längeren Pulsen, da hier der wirksame Abtragsmechanismus effizienter ist). Deshalb hier zum Vergleich charakteristische Preise für die beiden Kategorien:
    • Kompakte, produktionstaugliche Faserlaser für Markiersysteme sind ab 20.000 € erhältlich, cw-Hochleistungslaser liegen im Bereich über 100.000 €
    • Kompakte, produktionstauglich integrierte UKP-Laser (mit Freistrahlführung) sind ab ca. 100.000 € erhältlich. Für höhere Leistungen ab 100 W, kürzere Pulsdauern im fs-Bereich, zweite Wellenlängen im VIS- oder UV-Bereich steigen die Kosten sukzessive in den Bereich > 200.000 €. UKP-Hochleistungsstrahlquellen kosten mehrere Hunderttausend Euro.
  2. Bearbeitungskopf:
    Erst die Bearbeitungsoptik macht aus dem Laserstrahl ein wirkliches Werkzeug. Sie entscheidet darüber, welche Form und Größe der Strahlquerschnitt in der Bearbeitungsebene besitzt und welche Strukturgrößen und -tiefen gefertigt werden können.

    Abhängig vom Bearbeitungsprozess werden unterschiedlichste Optiken eingesetzt. Es existiert eine große Bandbreite an Fest- und Bohroptiken, 2D- und 3D-Scansystemen, die den Strahl innerhalb des Scanfelds mit Geschwindigkeiten von bis 30 m/s auslenken können. Bereits einfache Markiersysteme sind mit flexiblen Galvanometerscannern und Fokussieroptik ausgestattet. Zusätzlich gibt es auch in der Qualitätswahl dieser Optiken signifikante Preisunterschiede.
  3. Strahlführung und -formung: notwendig, damit der Laserstrahl von der Strahlquelle zum Bearbeitungskopf kommt.
    Beinhaltet unter anderem: fasergeführte Systeme und Freistrahlführungen, Schaltweichen sowie erforderliche Halte- und Montagesysteme, Polarisatoren, Aufweitungen, Kollimatoren.

Kostenpunkt für Lasertechnik: ca. 150.000-200.000 €

Messtechnik

In Laseranlagen werden verschiedenste Messsysteme eingesetzt, die sowohl der Prozessvorbereitung (Einmessen), der Prozess- und Bauteilüberwachung als auch der Maschinenkalibrierung und -diagnose dienen. Häufig verwendet werden beispielsweise:

  1. kamerabasierte Messtechnik, u.a. inkl. Bildverarbeitung zur Passmarkenerkennung, Strahldiagnose
  2. Condition-Monitoring-Systeme
  3. Powermeter
  4. Laser- oder Konfokalmesstechnik
  5. Spektrometer zur online-Prozesskontrolle
  6. Prüfsysteme zur 100 %-i.O. Prüfung

Einzelne Sensoren liegen typischerweise im Bereich weniger Hundert Euro bis in den fünfstelligen Bereich. Die Aufwände zur Integration, Programmierung und Test übersteigen i.d.R. den Kaufpreis der Sensoren. Lasermaschinen zur Mikrobearbeitung von Pulsar Photonics sind mit einer messtechnischen Grundausstattung konzipiert. Diese beinhaltet Kamerasysteme zur präzisen Werkstückpositionierung, Vermessung und Fernwartung, Condition-Monitoring-Systeme mit einem ganzen Set an Sensoren, Abstandssysteme sowie software-basierte Lösungen.

Kostenpunkt für Messtechnik: ca. 50.000-150.000 €

Engineering und Nebenleistungen

Für den Bau einer Laseranlage ist es natürlich nicht ausreichend, nur die benötigten Subsysteme und Einzelteile zu beschaffen. Vielmehr handelt es sich um ein komplexes Projekt, das geplant und in vielen Teilprojekten umgesetzt wird. Dazu gehören:

  1. Projektmanagement und Arbeitsvorbereitung
  2. Mechanische und elektrische Montage
  3. Kalibration und Parametrisierung
  4. Prozesstechnische Inbetriebnahme
  5. Konstruktion und Software-Entwicklung, inkl. großer Bandbreite an CAD-/CAM-Processing, Assistenz-Lösungen
  6. technische Dokumentation
  7. Finanzierung, Warenwirtschaft
  8. unternehmerisches Risiko / Ertrag

Einschätzung zum Thema Softwareentwicklung: Einfache Markiersoftware-Lösungen sind bereits ab wenigen Tausend Euro erhältlich. Sind aufgrund der Maschinenkomplexität eigene Software-Entwicklungen erforderlich, sind produktionstaugliche Lösungen unterhalb von 15.000 € nicht realistisch. Kundenspezifische Ausführungen, Lizenzen, CAD-CAM-Schnittstellen, die ERP- oder PLS-Anbindung können je nach Ausführung aber auch ein Teilprojekt in der eigenen Größenordnung > 100.000 € bedeuten.

Kostenpunkt für Engineering und Nebenleistungen > 150.000 €

Nebenaggregate und AutomationsLösungen

Oftmals erfordern der laserbasierte Fertigungsprozess oder aber die Be- und Entladung der Anlage und das Handling der Werkstücke zusätzliche Systeme.

Das können:

  1. Handlingsysteme, Linearförderer, Sortierweichen,
  2. Rolle-zu-Rolle- oder Fördersysteme,
  3. Roboter mit Effektoren oder
  4. Vakuum/Unterdruck-Aggregate, Filtersysteme, Drucklufterzeuger, Spülsysteme, Klimatechnik und Kühlaggregate

sein.

Was wirklich benötigt wird, kann je nach Produkt oder Prozess sehr unterschiedlich sein. Eine gute Grundausstattung von Lasermaschinen für die Mikrobearbeitung (ohne Automation) umfasst Filter- und Absaugsysteme, Druckluftsysteme u.a. zur Prozessgasversorgung sowie Aggregate zur Kühlung von Laserstrahlquelle, Optiken, Schaltschrank sowie ggfs. der Maschine. Diese Grundausstattung gibt es ab 50.000 €. Werden Spezialsysteme benötigt, können die Kosten deutlich größer sein.

Kostenpunkt für Nebenaggregate und Automations-Lösungen 50.000 € bis > 500.000 €

Automation und Robotik im Laseranlagenbau

Betriebskosten einer Laseranlage

Wer an die Beschaffung einer Laseranlage denkt, möchte natürlich nicht nur wissen, was die Anlage selbst kostet, sondern auch, welche Betriebskosten es gibt.

Hier gibt es gute Nachrichten, denn verglichen mit mechanischen Bearbeitungsmaschinen sind die Betriebskosten bei der Laserbearbeitung äußerst gering:

  • Es gibt keinen Werkzeugverschleiß
  • Es wird kein Kühlschmierstoff für den Prozess benötigt
  • Die Achsen arbeiten weitestgehend schmierstofffrei
  • Die Wartungskosten sind gering

Im Großen und Ganzen wird also nur Strom benötigt sowie ggf. Kühlwasser und Druckluft. Bei den Absaugaggregaten ist ein Reinigen bzw. Wechseln der Filtermatten notwendig. Vor allem bei unseren Produktionsanlagen mit kW-Laserstrahlquellen ist das intervallmäßige Wechseln von Schutzgläsern erforderlich. Diese können einfach und zu niedrigen Kosten (einige Hundert bis wenige Tausend Euro) ersetzt werden.

Das kostet eine Laseranlage zur Mikrobearbeitung

Die Kosten für Lasermaschinen zur Mikrobearbeitung sind zusammengefasst stark von der Anwendung abhängig. Die größten Einflussfaktoren bzw. Unterscheidungsmerkmale sind:

  • Benötigte Laserquelle
  • Optisches Setup: Anzahl Bearbeitungsköpfe, ggf. Spezial- oder Multistrahloptik
  • Größe der Werkstücke und erforderliche Genauigkeit
  • Automatisierungsgrad

Bei der Beschaffung einer Laseranlage für die Mikrobearbeitung mit UKP-Lasern ist mit Kosten ab 500.000 € zu rechnen. Diese Kosten sind tendenziell höher als bei Maschinen zur spanenden Bearbeitung. Dafür eröffnet der Laser als Werkzeug Fertigungsmöglichkeiten, die konventionell nicht erreichbar sind und die laufenden Kosten sind im Vergleich äußerst gering.

Produktionsmaschinen müssen bei Pulsar Photonics eine Ramp-Up-Phase aufweisen. In dieser Phase werden auf den Maschinen häufig Varianten gefertigt oder aber die Stückzahlen erreichen noch nicht das Produktionsniveau. An der Stelle unterstützen wir gerne mit unserem eigenen Maschinenpark.

Marius Gipperich, Vertrieb, Sales, Großkundenbetreuung, Key Account Management, Business Development

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Dr. Marius Gipperich

Dr. Marius Gipperich ist Key Account Manager bei Pulsar Photonics. Er hat ein abgeschlossenes Studium der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Im Anschluss promovierte er an der RWTH Aachen im Themengebiet Fertigungstechnik/Lasermaterialbearbeitung und besitzt inzwischen mehr als fünf Jahre praktische Berufserfahrung im Bereich Lasertechnik.

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